一体化铅铋散裂靶结构设计与分析

摘要

一体化铅铋有窗散裂靶具有中子产额高、系统简单可靠、安全性好、可维护性强等特点，是目前加速器驱动次临界系统(ADS)的主要研究对象。靶窗面临强流质子辐照和高热通量，为了保证靶窗寿命和安全性，需要通过对靶窗流道截面进行优化设计，从而降低散裂靶的最高温度。本文设计了一种一体化铅铋有窗靶结构方案，利用CFD软件对ADS铅铋散裂靶冷却性能进行三维热工水力分析和优化。
　　本文参考中国铅基研究实验堆(CLEAR-Ⅰ)铅铋散裂靶作为数值模拟对象，建立最佳网格数据模型，从而选取最佳分析对象。为了深入了解冷却剂通道内各区域流场、靶窗厚度和质子束流强度对散裂靶冷却剂系统换热性能的影响规律，建立三通道流道模型、不同靶窗厚度和不同质子束流强，开展了数值模拟分析与对比。结果表明，靶流道中心区域的冷却剂流动速度增加对靶区流场的改善效果显著。同时，质子束流强提高时，采用2mm厚靶窗会有较好的换热效果。
　　在设计中采用变截面扰流结构设计，即上部导流管直径保持不变，下部缩小管径，上下导流管之间采用锥形管结构连接。为了深入了解导流结构对靶窗换热效率的影响，对入口截面采用不同的尺寸进行设计，包括靶窗下部导流管内径D和高度h，并针对不同流道布置形式进行分析对比。结果表明，变截面扰流结构相对于直筒结构，能够提高靶窗附近冷却剂流速，降低靶窗温度。
　　当采用变截面管径设计的导流管时，质子束管在运行工况下会承受各种常规载荷和偶遇载荷的共同作用，将产生复杂的应力场，针对这一现象，基于ANSYSWorkbench平台，对质子束管在稳态条件下进行综合应力分析与应力强度评定。初步分析结果显示，质子束管在设定载荷作用下的最大应力强度为13.2Mpa，满足ASME规范要求。
　　本文旨在通过开展有窗散裂靶的数值模拟和结构优化，得出散裂靶结构对换热的变化规律和散裂靶结构优化方案，为ADS应用提供理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 ADS系统发展现状

1．3 散裂靶的发展现状

1．3．1 固态散裂靶

1．3．2 液态散裂靶

1．3．3 靶窗方案关键科学问题分析

1．4 研究目的及内容结构

第2章 参考方案设计及分析方法

2．1 ADS参考散裂靶简介

2．1．1 散裂靶参考方案

2．2 设计分析软件简介

2．2．1 设计分析基本过程

2．2．2 热工水力计算方法与软件

2．2．3 结构力学计算方法与软件

2．3 本章小结

第3章 ADS有窗靶流道优化和热工分析

3．1 有窗靶流道CFD网格

3．1．1 网格参数

3．1．2 网格敏感性分析

3．2 有窗靶流道热工水力分析

3．2．1 散裂靶能量沉积分布

3．2．2 湍流模型

3．2．3 边界条件

3．2．4 离散格式

3．2．5 收敛条件

3．3 有窗靶流道优化设计

3．3．1 冷却剂流速分布的影响

3．3．2 靶窗厚度的影响

3．3．3 质子束流强度的影响

3．4 本章小结

第4章 ADS有窗靶结构设计和力学评定

4．1 ADS有窗靶结构设计

4．1．1 靶体结构布置方案

4．1．2 不同方案的对比分析

4．1．3 靶体结构优化设计

4．2 ADS有窗靶结构力学评定

4．2．1 计算模型

4．2．2 材料参数

4．2．3 载荷

4．2．4 力学评定结果分析

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果